Що зробило Землю такою, якою ми її знаємо? Ви не повірите! Лекція еволюційної біологині Олівії Джадсон про агентів планетарних змін

Я хочу почати із запитання. Що, якби на цій планеті ніколи не було життя? Що, якби жодна жива істота ніколи тут не дихала, не плавала, не рила нори й не літала? Як би виглядала Земля зараз, трохи більше ніж через 4,5 мільярда років своєї історії? На перший погляд, завдання здається простим. Треба видалити всі форми життя: прибрати дерева, траву, кущі, зішкребти мох і лишайники зі скель. Зникнуть тварини, гриби, мікроби, замовкнуть птахи, жаби, цикади, в океанах не стане риби, медуз, восьминогів, білих китів, крабів, які очищають водойми від мулу і сміття. Коли всі форми життя зникнуть, робота буде закінчена? Не так швидко, це лише початок.

Щоб створити Землю, на якій ніколи не було життя, потрібно також прибрати його уламки. Це все, що створили люди, а також опале листя, перлини, павуків і павутиння. Треба відділити пилок від повітря, очистити ґрунт від спор і насіння. Забрати послід з печер, де живуть кажани, і з островів, де гніздяться морські птахи. Вам доведеться засипати ямки, де горобці купаються в пилюці, і вирівняти ями на морському дні, де кити риються в пошуках їжі. Ви повинні розрівняти кротячі нори, мурашники, термітники й зруйнувати боброві греблі.

А після того, як розберетесь з життям сьогоднішнім, доведеться попіклуватись про минуле. Це означає прибрати скамʼянілості, величезні купи кісток і мушель, які засмічують планету, скамʼянілі ліси й стародавні рифи. Вам доведеться стерти сліди динозаврів, засипати нори давно померлих червʼяків і стерти відбитки опалих квітів. І не забудьте позбутися бурштину, викачати нафту і розгребти величезні гори вугілля. І навіть на цьому ви не закінчите. Вам доведеться позбутися того, що, на перший погляд, не має до життя жодного стосунку. Наприклад, кудись подіти крейду, більшу частину мармуру, алмази, багато видів мінералів. Доведеться висмоктати кисень з повітря і знищити озоновий шар. А ще — змести із землі верхній шар ґрунту, загострити краї гір і випрямити гирла річок.

Якби планета назавжди залишилася без життя, вона б розвивалася за зовсім іншою траєкторією. Небо тієї Землі могло б не бути блакитним. Місяць був би далі від неї. І тривалість дня була б іншою. Клімат був би спекотнішим і посушливішим. Континенти були б меншими. На тій планеті не було б стільки різновидів гірських порід. Коротше кажучи, Земля, на якій ніколи не було життя, не була б сьогоднішньою Землею тільки без зелені. Вона була б геть іншою. На тій планеті людина загинула б в одну мить від задушливого повітря та смертельного рівня радіації. Це була б планета не просто безжиттєва, а смертельно небезпечна.

Цей уявний експеримент показує, що життя — це геологічна сила, що змінила Землю. Що життя — це не просто щось на поверхні планети, а скоріше те, що змінило воду, гірські породи, повітря і досягло мантії. Саме по собі це спостереження не є новим. Майже століття тому ніхто інший, як Володимир Вернадський — перший президент Української академії наук, серед багатьох інших досягнень опублікував книгу під назвою «Біосфера», в якій стверджував, що життя є геологічною силою. Ось його слова: «На планеті немає хімічної сили більш постійної, ніж усі разом взяті форми життя».

Але питання, що турбує мене останні 15 років, — чому? Адже спочатку здається дивним, що форми життя можуть бути агентами планетарних змін. Вони такі крихітні у порівнянні із Землею, такі тендітні та їх легко знищити. Як же так сталося, що різні форми життя можуть бути настільки потужними? На мою думку, є два головні чинники. Перший — це час, другий — енергія і, зокрема, способи, якими життя з часом еволюціонувало, щоб використовувати цю енергію. Я хочу припустити, що історію життя і Землі можна представити як серію з пʼяти експансій в доступні джерела енергії, які вони використовували. Із кожним розширенням планета ставала домівкою для більшої кількості форм і видів життя.

Джерелом енергії є геохімічна енергія, тобто енергія, що виділяється в результаті хімічних реакцій між водою, гірськими породами й газами. Є сонячне світло, є кисень, є плоть і є вогонь. Перші два джерела енергії — геохімічна енергія і сонячне світло — були присутні на момент формування планети. Але решта три є наслідком існування життя. І перш ніж продовжити, я хотіла би подякувати тисячам вчених, чиї роботи я використала для того, щоб мати можливість зробити цей синтез. Моя робота полягала в тому, щоб обʼєднати їхні зусилля, а не в тому, щоб сидіти в лабораторії та вдивлятися в мікроскопи.

Отже, ось як я збираюся представляти час — це спіраль, теперішнє тут, попереду. Маленькі галочки позначають інтервали у 25 мільйонів років. Великі позначки — періоди в 500 мільйонів років. А цифри йдуть з інтервалом в один мільярд років.

Я дам вам кілька орієнтирів, бо якщо ви схожі на мене, коли я починала цей проєкт, то, можливо, не дуже добре орієнтуєтесь у фактах. Отже, вся історія людства займає по суті дуже невеликий період. Це вимирання динозаврів 66 мільйонів років тому. Рослини зʼявляються на поверхні Землі лише 450 мільйонів років тому. Тварини — приблизно 550 мільйонів років тому. До того моменту тварин не було, тільки мікроби.

Є величезний період часу, який геологи називають докембрієм і який, як ви бачите, насправді є більшою частиною історії Землі. Багато цікавого почалось 2,4 мільярда років тому, до цього моменту в повітрі не було кисню. І коли я кажу «не було кисню», я маю на увазі молекулярний кисень, O2, яким ми з вами дихаємо. Планета мала атоми кисню, але вони були у воді, гірських породах і молекулах, таких як вуглекислий газ. У повітрі кисню не було. Перепрошую, я ще мала сказати, що сама Земля утворилася 4,567 мільярда років тому.

І тут було б логічно запитати, а як же життя? Коли почалося життя і як воно почалося? Ця таємниця досі не розгадана. І причина в тому, що Земля — динамічна планета. Вона постійно рухається і змінюється. Континенти переміщуються, вулкани вивергаються, морське дно опускається, а гори зсуваються і розмиваються. Земля стирає докази. І з періоду приблизно 4 мільярди років тому майже не залишилося фізичних доказів існування Землі. Отже, висновок такий: життя зародилося близько 4 мільярдів років тому або раніше. І ще один важливий момент. Ми знаємо, що воно, схоже, почалося одномоментно, або, інакше кажучи, що всі відомі нам сьогодні форми життя є результатом єдиної події зародження.

Отже, все сталося 4 мільярди років тому або раніше. Як саме — ми точно не знаємо. Однак ми можемо дещо сказати про те, яким було перше життя. Є дві речі, на які я хотіла би звернути увагу. Перша — протягом більшої частини історії Землі єдиними її мешканцями були бактерії, точніше археї. Бактерії й археї під мікроскопом виглядають однаково. Тож довгий час вважалося, що існують лише бактерії. Але виявилося, що є дві фундаментальні групи форм життя, візуально схожі, але біохімічно доволі різні.

А ще непрямі докази вказують на те, що вони були тими, кого я люблю називати геворами, пожирачами Землі. Іншими словами, вони живилися за рахунок хімічних реакцій води, гірських порід і газів і складались з тих самих матеріалів. Так от, гевори реальні, вони існують і сьогодні. А відкрив їх наприкінці ХІХ століття ще один українець — Сергій Виноградський. У 1890 році він писав: «Мої експерименти встановили нову істину, що має загальне фізіологічне значення. На нашій планеті є форми життя, які можуть здійснювати повний синтез органічних речовин без допомоги сонячного світла. Ніхто не уявляв і не підозрював, що таке можливо».

На мою думку, робота Виноградського є однією з найбільш сміливих — він зміг експериментально довести те, про що інші навіть не здогадувались. Отже, такі форми життя, як гевори, побудовані та існують завдяки хімічним реакціям води, гірських порід і газів. І майже напевно, гевори були першими формами життя і поділяються на дві групи: бактерії та археї. Отже, перша енергетична експансія — це геохімічна енергія, яку виробляють гевори. Вона почалася приблизно 4 мільярди років тому. А після цього почалося друге розширення.

І це була еволюція бактерій, які могли фотосинтезувати, тобто здійснювати повний синтез органічних речовин за допомогою сонячного світла, якого так багато на поверхні Землі. Ця здатність значно розширила енергетичну базу життя. І судячи зі слідів, залишених у гірських породах, схоже, це сталося досить рано, невдовзі після появи геворів. А родзинкою цієї експансії було те, що еволюціонувала лише одна група бактерій — ціанобактерії, які раніше називали синьо-зеленими водоростями. Насправді це не водорості, а бактерії. І вони дуже важливі для історії Землі. Коли ці бактерії перехоплюють сонячне світло, то розщеплюють молекули води і вивільняють кисень. А кисень — це реактивна речовина. Він може утворювати сполуки з багатьма іншими елементами.

Коли ціанобактерії почали виділяти газ, кисень почав трансформувати Землю, створюючи багато нових видів гірських порід і сотні, можливо, тисячі нових мінералів, а також величезні поклади заліза. Але врешті-решт кисень вступив в реакцію з усім, чим міг, і почав накопичуватися в повітрі. В історію це ввійшло як велика подія оксигенації. Кисню в повітрі, щоправда, було не так багато, як зараз, але він був. Завдяки цьому зʼявилися мінерали й озоновий шар, який робить небо блакитним.

А ще це була непересічна подія для біології. Кисень — це багате джерело енергії. Метаболічні процеси за участю кисню вивільняють більше енергії. Таким чином, кисень є третім джерелом енергії. Але, як і у випадку із сонячним світлом, спочатку все, що ми отримали, — це більше різних видів бактерій та архей.

Та приблизно 1,8 мільярда років тому сталося щось дуже дивне, незвичайне і несподіване: одна лінія бактерій і одна лінія архей злилися воєдино і створили абсолютно нову форму життя, яку назвали еукаріотом. Можливо, якщо ви не вивчали біологію, це слово для вас нічого не означає. Але ви точно їх бачили — це великі рослини, тварини та гриби. Усі вони — нащадки цієї унікальної події. І доказом цього є те, що бактерія стала частиною клітини, яка називається мітохондрія — саме вона вивільняє енергію, коли ви їсте і дихаєте. У клітинах усіх еукаріотів по суті є мітохондрії.

Але починалось все не з великих форм життя, а з мікробів, наприклад, амеб. Тож перші еукаріоти, ймовірно, були дуже схожі на амеб. І це дуже цікаво, бо ці нові форми мали нові властивості, наприклад, вони могли займатись сексом. Погодьтесь, це прогрес. А до того вони могли полювати і поїдати інші форми життя, поглинаючи їхню плоть і енергію. Та попри цей неймовірний прорив, протягом наступних мільярда років, а це близько чверті історії Землі, нічого насправді не змінилося. І це одна з найбільших загадок в історії Землі.

Наступна зупинка — поява перших тварин. Це сталося приблизно 600 мільйонів років тому. Тварини важливі насамперед тому, що вони великі. Уперше життя на Землі стало великим. А ще вони важливі тому, що збільшують загальний ріст інших форм життя. Вони косять, тобто постійно поїдають, скажімо, водорості з поверхні озер, і це звільняє місце для нових водоростей. Таким чином, це збільшує енергетичний потік життя.

Ось простий приклад — море. У морі всі тварини харчуються одноклітинними фотосинтезуючими мікробами. Усе інше побудоване саме на цих крихітних одноклітинних організмах. Тварини їли їх, а потім — одне одного. Їх ставало більше і вони трансформували Землю: фільтрували воду, рили нори, переносячи кисень в осадові породи. Вони лишали мушлі та кістки, а ті лишали свої сліди в геологічному літописі. Тварини переміщували речі з океанів на сушу або з глибин на поверхню. Поява тварин, як і поява кисню в повітрі, лишила свій слід у гірських породах.

Ми наближаємося до кінця. Фінальна енергетична експансія — це вогонь. З усіх планет і всіх супутників у Сонячній системі тільки на Землі є вогонь. І не випадково. Щоб мати вогонь, потрібні три речі. Вам потрібен спосіб його запалити. Наприклад, блискавка. Потрібна достатня кількість кисню, щоб підтримувати вогонь. І, звичайно, потрібно мати щось, що горить. Лише з появою перших рослин на поверхні планети, приблизно 550 мільйонів років тому, на Землі замерехтіло полумʼя. Ми знаємо про це, бо вогонь залишає свій власний викопний слід у вигляді деревного вугілля. А стародавні поклади деревного вугілля свідчать про те, що відтоді, як рослини вперше прикрасили поверхню Землі, там горіли вогнища. Але для того, щоб вогонь став джерелом енергії, потрібно було дочекатися еволюції вогняної істоти, приматів роду Homo, які почали готувати їжу. Вогонь — це свого роду попереднє травлення. Він дозволяє витягти більше енергії з їжі, особливо з крохмалистих продуктів, таких як бульби.

Коли перші примати почали готувати їжу — невідомо. Дуже важко знайти сліди вогнищ і багаття, якщо тільки їх не розводили в печерах або у фіксованих місцях. Але приготування їжі змінило фізіологію цих істот. У них зʼявилися менші щелепи, дрібніші зуби, коротші кишки, більший мозок. Такий розвиток перетворив гомінідів на людей, а з часом ці вогняні істоти приручили вогонь, використовуючи його для виплавки металів, виготовлення скла, глини, цементу. Його використовували для розширення шахт. Або згадайте паровий двигун, двигун внутрішнього згоряння чи процес Габера—Боша для виробництва добрив. Усе це — технології вогню.

І, звичайно, це різко прискорило темпи змін, а також масштаби й різноманітність планетарних впливів. Що все це означає? Мушу сказати, що особисто у мене, коли я думаю про це, виникає глибоке відчуття звʼязку не лише з іншими формами життя, але й з водою, камінням, повітрям. І в інтелектуальному плані я знаходжу це дуже приємним, тому що відчуваю, що це розкриває закономірності в історії Землі й вводить людину в саме серце цієї історію. Це також дає розуміння, чим люди відрізняються від інших форм життя. Ми використовуємо набагато більше енергії. Усе це дозволяє нам подумати про те, що може статися деінде. Саме тому я хочу закінчити порівнянням і згадати про Марс.

Олівер Мортон, журналіст і планетарний мислитель, написав книгу під назвою «Картографування Марсу». Він писав, що Марс схожий на Землю більше, ніж будь-яка інша планета, яку ми бачили. Насправді він не дуже схожий. Його гравітація слабка, атмосфера розріджена, там немає моря, ґрунт отруйний, сонячне світло смертельно небезпечне через рівень ультрафіолету, а клімат дуже холодний. Марс убив би вас в одну мить. Але 4 мільярди років тому, коли тут формувалися перші форми життя, Марс був зовсім іншим світом. Цілком очевидно, що на ньому була вода, можливо, океани. Чи було там життя? Можливо, усі ми марсіани, як дехто стверджує? Цілком можливо, що так. Можливо, що під цією запиленою, вкритою листям, смертоносною поверхнею досі щось є.

Але нам не потрібно туди летіти, щоб дізнатися: те, що сталося там, суттєво відрізняється від того, що сталося тут.